GALAXIENENTWICKLUNG
Die Jugendzeit der massereichsten Galaxien
von Stefan Deiters
astronews.com
25. Januar 2012

In zahlreichen Galaxien im jungen Universum entstehen mit unglaublich hoher Rate neue Sterne. Jetzt glauben Astronomen eine Verbindung zwischen diesen Galaxien und massereichen Systemen in unserer Nachbarschaft herstellen zu können. Sie fanden auch einen Grund dafür, warum die Sternentstehung so plötzlich aufgehört hat: ein supermassereiches Schwarzes Loch.

Ein Blick des Weltraumteleskops Spitzer auf die Himmelregion im Sternbild Chemischer Ofen, in der die Astronomen ihre Untersuchungen gemacht haben. Die APEX-Daten der Galaxien sind hier in rot dargestellt. Bild: ESO, APEX (MPIfR/ESO/OSO), A. Weiss et al., NASA Spitzer Science Center [Großansicht]

Die jetzt vorgestellten Resultate sind Ergebnis der Auswertung von Daten der Kamera LABOCA am 12-Meter Teleskop des Atacama Pathfinder Experiments (APEX) und von Beobachtungen des Very Large Telescope (VLT) der europäischen Südsternwarte, des NASA-Infrarot-Weltraumteleskops Spitzer und anderer Teleskope. Ziel der Astronomen war es, etwas über helle, entfernte Galaxien zu erfahren und insbesondere darüber, wie diese sich zu Gruppen oder Haufen zusammentun.

Je enger die Gruppen dieser entfernten Galaxien sind, desto massereicher sollte nämlich auch ihr Halo aus Dunkler Materie sein. Dunkle Materie macht einen wesentlichen Teil der Masse von Galaxien aus, ist aber - wie der Name schon sagt - nicht zu sehen. Messen lässt sich nur ihre Gravitationswirkung. Auf diese Weise ist man auch auf die Existenz von Dunkler Materie aufmerksam geworden. Man stellte nämlich fest, dass sich das Rotationsverhalten von Galaxien nicht allein durch die Masse erklären lässt, die man in Form von Sternen beobachten kann. 

Die jetzt untersuchten Galaxien sind so weit von der Erde entfernt, dass ihr Licht rund zehn Milliarden Jahre unterwegs war, um uns zu erreichen. Wir sehen sie also so, wie sie vor zehn Milliarden Jahren ausgesehen haben. Bei den untersuchten Systemen handelt es sich um sogenannte Submillimeter-Galaxien, die sich durch ihre hohe Sternentstehungsaktivität auszeichnen. Das Licht ihrer Sterne heizt den Staub in den Galaxien auf, der dadurch im Infraroten zu leuchten beginnt. Ihre große Entfernung sorgt aber dafür, dass - wegen der Rotverschiebung, zu der es durch die Ausdehnung des Universums kommt - dieses Licht heute am besten im Submillimeter-Wellenlängenbereich zu beobachten ist.

In der Zeit, in der die Galaxien von den Astronomen beobachtet wurden, durchlaufen sie gerade ihre intensivste Sternentstehungsphase, einen sogenannte Sternentstehungsausbruch oder Starburst. Durch die Bestimmung der Masse der Halos aus Dunkler Materie um diese Galaxien und mit Hilfe von Computersimulationen, die etwas über das Anwachsen solcher Halos im Verlaufe der weiteren Entwicklung verraten, gelangten die Astronomen zu der Überzeugung, dass aus diesen entfernten Galaxien einmal elliptische Riesengalaxien werden - die größten heute in unserer kosmischen Umgebung bekannten Galaxienformen.

"Es ist das erste Mal, dass es gelungen ist, eine klare Verbindung zwischen den Galaxien mit den heftigsten Starbursts im frühen Universum und den massereichsten Galaxien die wir heute kennen, herzustellen", so der verantwortliche Wissenschaftler der Untersuchung Ryan Hickox vom Dartmouth College in den USA und der Universität im englischen Durham. Hickox ist auch Erstautor eines Fachartikels, der morgen in der Zeitschrift Monthly Notices of the Royal Astronomical Society erscheint.

Die neuen Beobachtungen lieferten zudem Hinweise darauf, dass die Phase intensiver Sternentstehung in den entfernten Galaxien gerade einmal 100 Millionen Jahre andauerte - für Kosmologen eine verhältnismäßig kurze Zeitspanne. Trotzdem konnten die Galaxien in dieser Zeit die Menge an Sternen in ihnen verdoppeln. Was die Ursache für das abrupte Ende dieser Phase extremen Wachstums war, ist den Astronomen noch nicht ganz klar. "Wir wissen, dass die massereichsten elliptischen Galaxien vor langer Zeit recht plötzlich aufgehört haben, Sterne zu produzieren und nun passiv sind", erläutert Teammitglied Julie Wardlow von der University of California in Irvine und der Durham University. "Wissenschaftler fragen sich, was wohl mächtig genug sein konnte, um die Sternentstehung in einer gesamten Galaxie praktisch abzuschalten."

Eine Antwort könnte sich in den Beobachtungsdaten der Astronomen finden: Das Team stellte nämlich fest, dass in jener Epoche die beobachteten Starburst-Galaxien ähnlich angeordnet sind wie Quasare, was darauf hindeuten könnte, dass sie sich in den gleichen Halos aus Dunkler Materie befinden. Quasare zählen zu den hellsten Objekten im Universum. Es handelt sich um Galaxien, in deren Zentrum ein supermassereiches Schwarzes Loch gerade mit hoher Rate Material verschlingt.

Die intensive Sternentstehung in einer Galaxie könnte nun dafür sorgen, dass einem supermassereichen Schwarzen Loch im Zentrum große Mengen an Material zugeführt werden und es auf diese Weise gefüttert wird. Die unmittelbare Umgebung eines aktiven Schwarzen Lochs sendet aber starke Strahlung aus, die das in der Galaxie noch vorhandene Gas praktisch wegbläst. Dieses Gas jedoch ist das Rohmaterial für neue Sterne, so dass die Sternentstehungsphase dadurch beendet wird.

"Zusammengefasst bedeutet die glorreiche Phase intensiver Sternentstehung in einer Galaxie auch gleichzeitig das schnelle Ende dieser Aktivität, da dadurch das Schwarze Loch im Zentrum gefüttert wird, das durch seine Strahlung dann die Wolken, in denen die Sternentstehung abläuft, einfach wegbläst oder zerstört", so Teammitglied David Alexander von der Durham University.